地下采煤區地質災害發育空間特征及其成因

張明媚，葛永慧，薛永安，呂義清

(1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.山西能源學院 地質測繪工程系，山西 晉中 030600)

近年來，遙感技術在地質災害研究領域的應用越來越廣泛，對地質災害遙感特征及其解譯技術的研究取得了一定的進步[1-3]。對地質災害發育特征及其成因的研究主要集中在地震發生后的地質災害方面[4-5]；同時，還有部分地質災害信息提取及特征研究以采煤沉陷為主誘因展開[6-8]。目前，以3S技術手段開展采煤區地質災害信息提取[9-10]、地質災害監測[11-12]、災害特征[13]和空間特征分析[14]等研究取得了一定的進展。山西省太原市萬柏林區是西山煤田西山礦區的主要分布區，地質災害發育嚴重；這不僅提升了該區采煤沉陷區的治理成本，也影響著該區的可持續發展。本文在前期研究的基礎上[11-14]，以萬柏林區為研究區，收集區內地質災害發育點分布及相關資料，針對崩塌、滑坡、不穩定斜坡和地面塌陷四種地質災害類型，以地貌、地下采煤區、地質構造、巖性、植被覆蓋和土地利用為災害發育因子，進行了災害發育點與特征因子之間關聯性的空間分析及統計，定量確定了地下采煤區地質災害的空間發育特征與主要誘因。本文旨在為地下采煤擾動地質災害致災機理研究提供基礎支持，同時為該區進一步的詳細地質災害評估及災害治理提供信息支持。

1 數據與方法

1.1 數據源與工作平臺

研究區總面積297.059 km2.通過現有的工作基礎[9-16]，收集到研究區(即山西省太原市萬柏林區)內2013年地質災害分布信息，如圖1所示。區內目前發育有地質災害點79處，其中：地面塌陷33處，不穩定斜坡25處，滑坡12處，崩塌9處。選擇Landsat-8數據2景制作植被覆蓋與土地利用圖，空間分辨率15 m，時相分別為2013年8月14日和10月17日。地貌因子獲取采用DEM數據(ASTER_G_DEM)，采樣精度30 m，垂直精度20 m.土地利用圖基準數據來源于現有成果數據[16]；該數據總體精度為98.597%，Kappa系數為0.977 5.地下采煤區范圍、地質構造與地層巖性數據來源于太原市規劃和自然資源局。數據分析在Arc GIS平臺進行。

圖1 太原市萬柏林區地質災害點分布圖Fig.1 Distribution of geological disasters in Wanbailin, Taiyuan

1.2 方法

總體技術路線如圖2所示。具體步驟如下：

1) 收集基礎資料，包括地測資料、采礦資料、遙感影像資料和地質災害信息資料。

2) 利用DEM數據提取研究區數字地貌因子(高程分區、坡度、坡向)；利用地質資料提取地質構造分布與工程巖組圖；利用采礦資料提取采空區分布圖；利用影像資料提取土地利用圖和植被覆蓋圖。

3) 對地質災害分布點疊加數字地貌因子、地下采煤區范圍、工程巖組圖、植被覆蓋和土地利用圖進行疊加分析，并疊加線狀地質構造進行緩沖區分析。

4) 進行數據統計、分析與成果總結。

圖2 總體技術路線圖Fig.2 Overall technology roadmap

2 結果與分析

2.1 結果

按圖2所示技術路線，對研究區內的地質災害分布與發育特征因子進行空間疊加分析、緩沖區分析，結果如圖3和表1-表8所示。

2.2 分析

在統計結果的基礎上，分別從數字地貌特征、地下采煤區范圍、地質構造與巖性、植被覆蓋和土地利用信息因子角度對研究區地質災害發育空間特征與成因進行分析，具體如下。

表1 地質災害點分布與高程關系統計表Table 1 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and elevation

表2 地質災害點分布與坡度關系統計表Table 2 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and slope

表3 地質災害點分布與坡向關系統計表Table 3 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and aspect

表4 地質災害點分布與地下采煤區關系統計表Table 4 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and underground coal mining area

表5 地質災害點分布與地質構造關系統計表Table 5 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and geological structure

表6 地質災害點分布與巖性關系統計表Table 6 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and lithological characters

表7 地質災害點分布與植被覆蓋關系統計表Table 7 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and vegetation cover

表8 地質災害點分布與土地利用關系統計表Table 8 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and land use

1) 數字地貌特征因子分析。由表1可知，1 000～<1 300 m高程區間分布的災害點數量占災害點總數量的56.96%，高程≥1 500 m時沒有地質災害點分布。由表2可知：區內地質災害點主要分布在坡度0°～<25°范圍內；其中，坡度5°～<15°范圍內最多，共有44處地質災害點，占災害點總數量的55.70%.表3顯示：區內災害點在各個坡向上均有分布；東北向災害發育最多，占災害點總數量的20.25%；而西北向發育最少，僅占3.8%.

2) 地下采煤區范圍因子分析。由表4可知：在距離煤礦采空區200 m以內區域共發育地質災害點37處，占區內地質災害點總數量的46.84%；主要災害類型為地面塌陷和不穩定斜坡，分別為18處和12處；崩塌與滑坡災害相對較少。顯然，地下采煤擾動對地表的破壞形式主要表現為塌陷坑和地裂縫，并有大量隨區內經濟發展和工程建設而產生的不穩定斜坡。這些不穩定斜坡隨地下采煤擾動后地表持續沉降，因此，應防止不穩定斜坡體應力平衡被打破而向崩塌、滑坡災害轉化。

3) 地質構造與巖性因子分析。由表5可知：區內地質災害主要發生在距離線性地質構造1 200 m以內的范圍，占災害點總數量的72.15%；隨著距離的增加，地質構造對地質災害的控制力先小幅增強后回落遞減；50.63%的地質災害發育于距離線狀構造600 m以內，說明區內地質構造對地質災害的控制隨距離增加而趨于減弱。由圖3可以看出，研究區內地質災害分布具有較為明顯的東西向帶狀趨勢，與東西向線狀斷裂構造在空間分布上吻合度較高，因此地質構造是研究區內地質災害發育必須考慮的重要因素。由表6可知，研究區內地質災害主要發生在中厚層具泥化夾層軟硬相間砂頁巖夾煤層巖組，巖組中災害點數量占災害點總數量的44.3%，是區內地質災害的高發育區，顯示出區內地質災害的發生與煤系巖層具有強相關性。其次是粘土、砂礫石層雙層土體，共發育有災害點30處，占災害點總數量的37.97%.礦、礫石、亞礦土、亞粘土多層土體分布于山前人類生活區，無地質災害發生。

4) 植被覆蓋因子分析。歸一化植被指數NDVI是反映植被覆蓋的一個重要指標，用于檢測植被生長狀態；該值越大表示植被越茂盛，反之則越稀疏。具體來說，NDVI為負，表示地面無植物覆蓋；NDVI為0，表示地表為巖石或裸土等；NDVI為正值，表示有植被覆蓋。研究區內NDVI≥0.2的區域為植被覆蓋密集區，由表7可知這也是地質災害點分布的密集區，災害點數量占比為48.10%；這與植被覆蓋能有效消弱地質災害發生的概念呈現背離。野外核查表明，區內的植被主要以草地為主，對地表的水土保持有一定的作用。由表7可以看出，植被覆蓋密集區主要發育的地質災害類型為地面塌陷。在不考慮超采地下水因素的前提下，區內地面塌陷地質災害發育的主要誘因為地下采煤擾動影響。同時，植被密集區發育了較多的滑坡；在不考慮地震與強降雨因素前提下，其誘因主要為人工活動。研究區地處西山煤田西山礦區，是中國重要的地下采煤區。在經歷了過去幾十年高強度煤炭開采后，含煤地質體應力平衡被打破，滑坡災害發育較多，因此研究區內植被密集區是地質災害高發區是合理的。

5) 土地利用因子分析。將研究區內的土地利用類型分為園林綠地、居民地及工礦、采礦用地、植被、河流水庫和耕地六大類。由其面積統計可知，區內的土地利用類型主要為植被、居民地及工礦用地和采礦用地；由表8可知，這三類也是地質災害發生較多的區域。其中，居民地及工礦和采礦用地發育的地質災害點數量分別占災害點總數量的的34.18%和16.46%.因此，研究區內人類采煤活動和工程活動是地質災害發育的重要誘因。

3 結論

通過本文的研究，基本明確了太原市萬柏林區地質災害發育的空間特征與成因，獲得了以下有益的認識：

1) 高程、坡度與災害分布之間呈現出臨界關系，超出某個范圍災害發育即減少甚至不發育。研究區內高程的臨界范圍為1 500 m，坡度的臨界范圍為35°。這為基于3S技術快速提取研究區內地質災害信息提供了先驗閾值。

2) 隨著距地質構造距離的增加，地質構造對災害發育控制力逐漸減弱；但是構造走向與災害點空間分布走向之間的強吻合度表明斷裂構造是區內地質災害發育的重要影響因素。

3) 植被密集區為研究區內災害高發區，災害類型主要為地面塌陷與滑坡。疊加地下采煤區范圍、土地利用圖，并結合野外核查，認為研究區內地質災害發育的主要因素來自地下采煤擾動地質體引發的上覆巖體應力重分配，并由此引發地表沉陷及斜坡體失穩導致的滑坡災害。

綜上，地下采煤擾動是研究區內地質災害發育的主要成因，而東西向地質構造則對區內地質災害發育具有控制作用。同時，分布于采煤區上方的中厚層具泥化夾層軟硬相間砂頁巖夾煤層巖組也必然成為災害發育數量最大的工程巖組。

盡管取得了上述認識，但本文工作中并未進行這些特征因素之間的耦合分析。今后應著重進行多因素耦合下地質災害發育特征分析研究，并考慮降雨與地震因素。